碳纤维

从有机纤维到碳纤维

• PAN 基碳纤维（主流，占 90% 以上）：
• —— 纺丝：PAN 原丝（与腈纶同原料）湿法或干喷湿纺。
• —— 预氧化（稳定化）：在空气中 200～300 ℃ 加热数小时，PAN 分子环化、脱氢、氧化 → 形成耐热的梯形结构（这一步非常耗时，是产能瓶颈）。关键：必须在张力下进行，否则纤维收缩、性能劣化。
• —— 碳化：在氮气中 1000～1500 ℃ 加热，非碳元素（N、O、H）以气体逸出 → 形成乱层石墨结构。
• —— 石墨化（可选）：在 2500～3000 ℃ 惰性气氛处理 → 石墨微晶长大、排列更规整 → 得到高模量碳纤维。
• —— 表面处理与上浆：氧化刻蚀表面增加活性基团，上浆（sizing）保护纤维并改善与树脂的界面结合。
• 沥青基碳纤维：原料便宜、碳化得率高（可达 80%，PAN 仅 50%），易做高模量，但强度较低 → 用于高模量与导热场合。
• 粘胶基碳纤维：最早的方法（1950 年代），得率极低（20%～30%）、性能差，现仅用于耐烧蚀材料（导弹、航天器热防护）。

强度等级与牌号

• 按强度分级（东丽 Toray 的牌号成为事实标准）：
• —— T300（强度 3.5 GPa、模量 230 GPa）：通用级，用量最大。
• —— T700（4.9 GPa、230 GPa）：高强度，风电与体育器材主力。
• —— T800 / T1000（5.9 / 6.4 GPa）：高强中模，航空航天主结构。
• —— M40 / M50 / M60J（高模量，模量 400～600 GPa）：卫星、天线等要求高刚性的场合。
• 一般规律：强度与模量难以同时做到最高（"此消彼长"）—— 高强型（T 系列）与高模型（M 系列）。
• 中国：光威复材、中简科技、中复神鹰等已实现 T700/T800/T1000 级量产，国产化率快速提升。

性能与局限

• 优点：比强度与比模量极高（轻且强）、耐高温（惰性气氛下可耐 2000 ℃ 以上）、耐疲劳、耐蠕变、耐腐蚀（除强氧化酸）、热膨胀系数小（尺寸稳定）、导电导热、X 射线透过性好。
• 缺点一：抗冲击性差（脆性大，不像金属那样能塑性变形吸收能量）→ 受撞击易分层、碎裂。
• 缺点二：抗氧化性差 —— 在空气中 400 ℃ 以上开始氧化（这是与"耐高温"并存的矛盾：耐高温是指在惰性气氛下）。
• 缺点三：压缩与剪切强度低（各向异性：纤维方向强，横向弱）。
• 缺点四：价格高（虽已大幅下降，仍远高于玻璃纤维）。
• 缺点五：导电 → 与铝合金接触会电偶腐蚀，且碳纤维粉尘会导致电气设备短路（加工车间需特殊防护）。
• 缺点六：难回收（热固性复合材料难以分离纤维与树脂）—— 回收是行业难题。

主要应用

• 航空航天：飞机主承力结构（ Boeing 787、A350 的机身与机翼大量使用 CFRP，占 50% 以上）、卫星结构、火箭。
• 风电：风机叶片主梁（追求轻量化与高刚度，是近年碳纤维需求增长最快的领域）。
• 汽车：车身与底盘轻量化（宝马 i 系列、碳纤维车顶、传动轴）。
• 体育休闲：高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、自行车架、赛艇。
• 工业与建筑：建筑加固（碳纤维布加固混凝土）、压力容器（氢气瓶、CNG 瓶）、机器人臂、辊轴。
• 电子：笔记本电脑外壳、无人机机架。

相关词条

• 芳纶 1414（fib-aramid-1414）
• 玻璃纤维（fib-glass-fiber）
• 玄武岩纤维（fib-basalt）
• 活性炭纤维（fib-activated-carbon-fiber）
• 复合材料增强纤维